微生物可以为石化行业提供可持续的碳氢化合物

如果石化行业要摆脱石油和天然气的依赖，就必须找到可持续来源的化学品，这些化学品可以毫不费力地融入现有的燃料、润滑油和塑料等产品制造工艺。

生物制造这些化学物质是显而易见的选择，但微生物产品在两个关键方面不同于化石燃料碳氢化合物：它们含有太多的氧气，并且它们有太多的其他原子挂在碳上。为了使微生物碳氢化合物在现有的合成过程中发挥作用，它们通常必须脱氧——用化学术语来说，是还原——并去除多余的化学基团，所有这些都需要能量。

加州大学伯克利分校和明尼苏达大学的一个化学家团队现在已经设计出微生物来制造可以更容易脱氧并使用更少能量的碳氢化合物链 - 基本上只是细菌吃的糖葡萄糖，再加上一点热。

该过程允许微生物生产目前由石油和天然气制成的各种化学品 - 特别是由中链碳氢化合物制成的润滑剂等产品，其中链中含有 8 到 10 个碳原子。

“试图将葡萄糖等物质作为制造分子或推动化学工业的原料，部分问题在于石化产品的化石燃料结构如此不同——它们通常被完全还原，没有氧气替代， ”加州大学伯克利分校化学和化学与生物分子工程教授 Michelle Chang 说。“细菌知道如何制造所有这些具有所有这些官能团的复杂分子，就像所有天然产品一样，但制造我们习惯用作化学工业前体的石化产品对它们来说有点挑战。”

“这个过程是使这些微生物产品脱氧的一步，它使我们能够开始制造可以替代石化产品的东西，只使用植物生物质中的葡萄糖，这更可持续和可再生，”她说。“这样我们就可以摆脱石化产品和其他化石燃料。”

这些细菌被设计用来制造中等长度的碳氢化合物链，这是以前从未实现过的，尽管其他细菌已经开发出微生物工艺来制造更短和更长的链，最多约 20 个碳。但该过程很容易适应制造其他长度的链，Chang 说，包括用作最流行塑料(如聚乙烯)前体的短链碳氢化合物。

她和她的同事本周在《自然化学》杂志上发表了他们的研究结果。

一种制造烯烃的生物工艺

化石碳氢化合物是简单的碳原子线性链，每个碳上都有一个氢原子。但是，为将这些转化为高价值产品而优化的化学过程并不容易被微生物生产的前体取代，这些前体是氧化的，碳原子上装饰着许多其他原子和小分子。

为了让细菌产生可以替代这些化石燃料前体的东西，Chang 和她的团队，包括共同第一作者、前加州大学伯克利分校博士后研究员Zhen Wang 和 Heng Song，在数据库中搜索了可以合成中链碳氢化合物的其他细菌的酶.他们还寻找一种酶，可以在碳氢化合物的一端添加一个特殊的化学基团羧酸，将其转化为所谓的脂肪酸。

总而言之，研究人员将五个独立的基因插入大肠杆菌中，迫使细菌发酵葡萄糖并产生所需的中链脂肪酸。添加的酶促反应独立于或正交于细菌自身的酶途径​​，这比试图调整细菌复杂的代谢网络效果更好。

“我们发现了新的酶，它们实际上可以制造这些中等大小的烃链，而且它们是正交的，因此与细菌的脂肪酸生物合成分开。这使我们能够单独运行它，而且它使用的能量比使用天然合酶途径，”Chang说。“细胞消耗足够的葡萄糖来生存，但除此之外，你的通路会咀嚼所有的糖，以获得更高的转化率和高产量。”

制造中链脂肪酸的最后一步使产品易于通过催化反应转化为烯烃，烯烃是聚合物和润滑剂的前体。

加州大学伯克利分校的研究小组与 Paul Dauenhauer 领导的明尼苏达研究小组合作，结果表明，一种简单的酸基催化反应称为路易斯酸催化(以著名的加州大学伯克利分校化学家 Gilbert Newton Lewis 命名)很容易从最终的微生物产品中去除羧酸-- 3-羟基辛酸和 3-羟基癸酸 -- 分别生产烯烃庚烯和壬烯。路易斯酸催化使用的能量比通常需要从天然产物中去除氧气以生产纯碳氢化合物所需的氧化还原反应少得多。

“常教授小组制造的生物可再生分子是催化精炼的完美原料，”Dauenhauer 说，他将这些前体分子称为生物石油。“这些分子含有足够的氧气，我们可以使用金属纳米颗粒催化剂轻松地将它们转化为更大、更有用的分子。这使我们能够根据需要调整分子产品的分布，就像传统的石油产品一样，除了这次我们使用可再生能源资源。”

七碳的庚烯和九碳的壬烯可直接用作润滑剂，裂解成较小的碳氢化合物，并用作塑料聚合物(如聚乙烯或聚丙烯)的前体，或连接形成更长的碳氢化合物，如蜡和柴油染料。

“这是制造目标化合物的一般过程，无论它们的链长如何，”Chang 说。“而且每次你​​想改变一个官能团或链长或它的分支程度时，你不必设计一个酶系统。”

尽管他们在代谢工程方面取得了成就，但 Chang 指出，长期和更可持续的目标将是完全重新设计合成工业碳氢化合物(包括塑料)的工艺，以便优化它们以使用微生物通常产生的化学物质类型，而不是改变微生物产品以适应现有的合成工艺。

“人们对‘如果我们研究全新的聚合物结构会怎样?’这个问题很感兴趣，”她说。“我们能否通过发酵从葡萄糖中制造出与我们今天使用的塑料具有相似特性的塑料单体，但与聚乙烯或聚丙烯的结构不同，它们不容易回收利用。”

这项工作得到了可持续聚合物中心的支持，该中心是美国国家科学基金会支持的化学创新中心 (CHE-1901635)。其他合著者是加州大学伯克利分校的 Edward Koleski、Noritaka Hara 和 Yejin Min，以及明尼苏达大学的 Dae Sung Park 和 Gaurav Kumar。